У животных есть генетический переключатель, который переводит их в зимний режим

Фото из открытых источников

С сокращением светового дня и похолоданием воздуха некоторые животные не просто немного замедляют свою активность. По сути, они переключаются на совершенно другую «операционную систему». Новые исследования наконец-то позволили точно определить, как работает этот переключатель, своего рода внутренняя «зимняя блокировка», которая заставляет животных работать на низкой мощности до тех пор, пока условия не улучшатся настолько, чтобы переключиться обратно. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Это открытие может открыть новые возможности в борьбе с вредителями и, возможно, даже помочь объяснить некоторые сезонные закономерности в состоянии здоровья человека. Работу возглавили исследователи из Вашингтонского государственного университета (WSU).

Используя плодовых мушек в качестве модели, команда исследователей установила, что зимняя блокировка связана с сезонными изменениями в одном-единственном гене. Этот ген лежит в основе циркадных ритмов — внутренней системы, которая поддерживает суточные ритмы организма в соответствии с графиком.

Ген, лежащий в основе всего этого, называется timeless, и он осуществляет хитроумный процесс, называемый альтернативным сплайсингом, по сути, позволяя одному гену производить разные белки в зависимости от времени года. 

С наступлением зимы белок Timeless начинает вырабатывать специальную зимнюю версию этого белка, которая изменяет режим активности и прекращает размножение, фактически перестраивая внутренние биологические часы плодовой мухи для совершенно иного образа жизни.

«Мы давно знаем, что животные используют сигналы окружающей среды для подготовки к сезонным изменениям, но мы до сих пор точно не понимали, как эта информация интегрируется биологическими часами», — сказал ведущий автор исследования Серхио Идальго из Вашингтонского государственного университета. «Мы обнаружили, что сами биологические часы могут перестраиваться в зимнее состояние, что помогает животным оставаться в нем до тех пор, пока условия не станут достаточно благоприятными для переключения обратно в летний режим».

Приспособление к смене времен года — это, по сути, универсальное явление.  Животные, растения и даже бактерии используют сигналы окружающей среды, чтобы почувствовать приближение смены сезонов и соответствующим образом адаптироваться.

Такая адаптация может включать миграцию, впадение в спячку, приостановку размножения или переход в состояние покоя, чтобы пережить суровую погоду и нехватку пищи. Учёные уже давно понимают, что изменения продолжительности светового дня и температуры запускают эти реакции. 

До сих пор оставалось неясным, как именно организмы объединяют всю эту информацию в скоординированную сезонную стратегию. Циркадные ритмы казались вероятной частью головоломки, но никто толком не определял, какую роль они играют помимо поддержания суточных ритмов.

Исследователи обнаружили, что альтернативный сплайсинг гена timeless является ключевым фактором, определяющим переход плодовых мушек в зимнее состояние и его сохранение, сопровождающееся изменением суточной активности и приостановкой размножения. Зимняя версия белка изменяет работу циркадных часов, по сути, блокируя муху в зимнем режиме до тех пор, пока окружающая среда не подаст достаточно четкий сигнал, позволяющий безопасно вернуться в исходный режим.

«В течение многих лет мы изучали то, что по сути является летней версией этих часов», — сказал Идальго. «Эта работа показывает, что зимой можно перестроить биологические часы, создав систему, которая функционирует иначе и помогает животным поддерживать зимний режим».

Вместо одного фиксированного механизма, работающего одинаково круглый год, животные, похоже, переключаются между несколькими версиями своих внутренних биологических часов, каждая из которых перестраивается в соответствии с требованиями времени года.

Идальго считает, что нечто подобное, вероятно, происходит и с сельскохозяйственными вредителями и насекомыми-переносчиками болезней, такими как комары.  Если это подтвердится, понимание того, как эти насекомые переживают смену времен года, может открыть действительно новую стратегию борьбы с ними, путем вмешательства в биологические механизмы, позволяющие им выживать зимой или в другие суровые периоды.

Это совершенно иной подход по сравнению с большинством современных методов борьбы с вредителями, которые обычно направлены на уничтожение насекомых напрямую, а не на нарушение их жизнедеятельности в межсезонье. Если вредители действительно полагаются на такой механизм защиты от зимней непогоды, то он может стать действительно новым уязвимым местом.

Здесь есть и человеческий аспект. Такие состояния, как сезонное аффективное расстройство, а также некоторые неврологические и психиатрические расстройства, уже связывают с сезонными колебаниями. Однако ученые до сих пор не имеют четкого представления о биологических механизмах, лежащих в основе этой связи.

Плодовые мушки и люди, очевидно, находятся в совершенно разных мирах, но тот факт, что основной ген циркадных часов может перестраиваться от сезона к сезону, поднимает важный вопрос: может ли нечто подобное, в какой-либо измененной форме, происходить и у нас? 

Остается неизвестным, существует ли подобный механизм у человека. Тем не менее, полученные результаты дают молекулярную отправную точку для исследования причин изменения некоторых состояний в зависимости от времени года.